CN2884141Y - 一种激光六自由度同时测量装置 - Google Patents

Abstract

一种激光六自由度同时测量装置，属于光电检测技术领域本实用新型装置由计算机(16)、固定单元(101)和六自由度敏感单元(201)三部分组成系统利用单束准直激光作为测量的基准，实现了对两个方向的直线度误差定位误差以及俯仰角偏摆角和滚转角的六自由度同时测量该系统的六自由度敏感单元(201)由反射器(20)、四分之一波片(19)和半透半反镜(18)组成，其中反射器(20)作为二维直线度误差和定位误差敏感器件，四分之一波片(19)作为滚转角敏感器件，半透半反镜(18)作为俯仰角和偏转角的敏感器件。整个测量系统具有光学结构简单移动测量头无电缆连接，且有体积小重量轻高精度高速度等优点。

Description

一种激光六自由度同时测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光精密测量装置，特别适用于工件或物体沿某直线导轨运动时对其运动的六自由度或运动姿态进行测量。

背景技术

数控机床和加工中心精度的检测是机床工具行业和机械加工行业必不可少的关键环节，也是保证机床加工精度和产品质量的重要手段。由于评定数控机床、加工中心以及三坐标测量机精度的参数很多，最少为21个参数。现有成熟的技术还是单参数测量。激光六自由度测量系统可以实时测量运动体的三个线位移量(位移和二个方向的直线度)和三个转动量(偏转、俯仰和滚转)，主要用于大型精密设备(数控机床、坐标测量机等)的静、动态精度测量，作为一种高精度的多维传感器，用于对物体或工件进行安装。因此六自由度同时测量方法与技术的研究一直是人们试图解决的技术难题。自20世纪60年代以来，人们一直试图解决这一技术难题，出现了大量的光学测量方法与技术，概括起来可分为以下几大类：1.传统的几何光学六自由度测量方法；2.基于衍射光栅的六自由度测量方法；3.利用视觉技术六自由度测量；4.基于激光跟踪六自由度测量方法；5.激光干涉与激光准直组合的六自由度方法。其中前四种方法要么精度不高，要么系统过于复杂；而激光干涉和激光准直的组合方法是近来研究的热点，也是最有可能形成产品的一种测量方法。其中比较典型的六自由度同时测量系统有以下两类：(1).基于三平行光束基准的测量方法：其代表有日本Nihon大学研究的一种同时测量机床工作台六自由度的测量系统[Shinji Shimizu.Simultaneous measurement method of table motion errors in six degrees of freedom[J].International Journal of Japan Society for Precision Engineering，1994，28(8)：273-274]、台湾国立大学研究的基于三干涉仪的六自由度测量系统[K.C.Fan.Asix-degree-of-freedom measurement system for the motion accuracy of linear stages[J].International Journal of Machine Tools and Manufacturing，1998，38(3)：155-164.]和基于半导体激光器的六自由度测量系统[Liu CH.Development of a laser-based high-precisionsix-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage[J].REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENTS，2005，76(5)：Art.No.055110]。这种方法特点是需要三束平行光作为测量基准，其平行性难以保证，滚转角的测量精度很容易受到光线平行性的影响，且仪器难以小型化。(2).基于单光束基准的六自由度测量方法：典型代表是美国API公司推出激光六维测量系统[该专利在中国的专利名称为“五轴/六轴激光测量系统”，申请号为：97191384.6]，并形成一定的市场，虽然其滚转角测量也有光学的方法，但测量精度比较低，因此该公司的产品的滚转角测量还是用水平仪的方式，且传感头必须带有电缆，现场使用不方便。

到目前为止，尽管出现了一些的六自由度同时测量的激光方法、技术与装置，但这些技术存在这样或那样的问题。要么是基于多光束基准测量，从而使仪器体积大，滚转角测量精度低；要么系统需用电缆连接运动的测量头，给测量现场带来不便。故光学结构简单、体积小、精度高、高速度、无电缆连接是此领域的发展趋势。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：在中国专利号为：03105126.X和中国专利公开号为：1687701A的基础上优化改进组合，提供一种简单的基于单光束基准激光六自由度测量系统，实现对两个方向的直线度误差、定位误差以及俯仰角、偏摆角和滚转角的同时测量。使测量系统具有移动测量头无电缆连接，且有体积小、重量轻、测量精度高等优点。

本实用新型采用的技术方案是：一种激光六自由度同时测量装置包括：固定单元、敏感单元、计算机。

所述的固定单元包括：

①激光器及其放置在激光器发射光路上的偏振分光器和反射器；

②二维直线度误差接收单元、俯仰角和偏转角接收单元、滚转角接收单元、定位误差接收单元；

③信号处理单元；

所述的固定单元中还包括四分之一波片放置在六自由度敏感单元反射光路上，四分之一波片的快轴方向与激光偏振方向成45度角，使线偏振光变为圆偏振光；半透半反镜放置在偏振分光器后的入射光路上；所述的俯仰角和偏转角接收单元中凸透镜和凹透镜之间的光路上放置半透半反镜；四象限探测器放置在激光器发出的经过半透半反镜的反射光路上。

所述的敏感单元为六自由度敏感单元，它包括：半透半反镜、四分之一波片和反射器，其中四分之一波片、反射器沿敏感单元的入射光方向依次排列；在反射器的反射光路上依次放置四分之一波片和半透半反镜。

所述的反射器包括角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。

所述的偏振片包括用四分之一波片替代。

本实用新型与背景技术六自由度同时测量系统相比所具有的特点：

其一，只需入射一束激光，就可以实现六自由度同时测量，光路极其简单，使用的光学器件少。

其二，由于六自由度敏感单元上无电缆连接，给现场测量带来方便。

其三，系统具有激光平行漂移补偿，还可以根据得到的三维转动角度，建立误差分离模型，在软件上对直线度测量进行进一步修正补偿，使直线度测量精度进一步提高。

其四，系统六个自由度都能够获得高灵敏度。

其五，本测量装置结构简单、体积小，安装、调整方便。

附图说明

图1为激光六自由度同时测量装置的第一个实施方式

图2为激光六自由度同时测量装置的第二个实施方式

图3为激光六自由度同时测量装置的第三个实施方式

图中：1为激光器；2为偏振分光器；3、20为反射器；4、6、18为半透半反镜；5、21为凸透镜；7为凹透镜；8为位敏探测器；9为渥拉斯顿棱镜；10为二象限探测器；11、12为四象限探测器；13为偏振片；14为干涉仪；15为信号处理单元；16为计算机；17、19为四分之一波片；22为五角棱镜；101为固定单元；201为六自由度敏感单元；301为90°转向单元。

具体实施方式

实施方式一(图1)：

对照附图说明本实用新型的优选方式：固定单元101固定在测量导轨一端，六自由度敏感单元201固定在导轨运动副上，沿导轨运动。

固定单元101包括：

①激光器1及其放置在激光器1发射光路上的偏振分光器2、半透半反镜4。

②四分之一波片17放置在六自由度敏感单元201反射光路上，四分之一波片17的快轴方向与激光偏振方向成45度角，使线偏振光变为圆偏振光。

③定位误差接收单元包括：四分之一波片17、偏振分光器2、偏振片13、干涉仪14依次排列在半透半反镜18的透射光路上；另外反射器3、放置激光器1发出的经过偏振分光器2的反射光路上。

④二维直线度误差接收单元包括：偏振分光器2、四象限探测器12，四象限探测器12放置在偏振分光器2反射光路上。

⑤俯仰角和偏转角接收单元包括：凸透镜5、半透半反镜6、凹透镜7、位敏探测器8，依次排列在半透半反镜18的反射，再经过反射器20反射光路上。

⑥滚转角接收单元包括：渥拉斯顿棱镜9、二象限探测器10，依次排列在半透半反镜6的反射光路上。

⑦误差补偿单元为四象限探测器11，放置激光器1发出的经过半透半反镜4反射的光路上。

⑧信号处理单元15。

六自由度敏感单元201包括：半透半反镜18、四分之一波片19和反射器20，其中四分之一波片19、反射器20沿敏感单元的入射光方向依次排列；在反射器20的反射光路上依次放置四分之一波片19和半透半反镜18。

由激光器1发射出高稳定性的准直激光束，经过偏振分光器2分成两束线偏振光，其中透射光通过分光器4时，又被分成两束，反射光投射到四象限探测器11上得到准直激光本身的二维平行漂移信息Δx′、Δy′。分光器4的透射光投射到六自由度敏感单元201中的四分之一波片19，使四分之一波片19的快轴与线偏振光的偏振方向成-45度角，这时透过四分之一波片19的线偏振光变成圆偏振光再经过反射器20反射，再次通过四分之一波片19，又由圆偏振光变为线偏振光，但其偏振方向旋转了90度。此光线经过半透半反镜18，其中透过半透半反镜18的光再经过四分之一波片17，四分之一波片17的快轴方向与激光偏振方向成45度角，使线偏振光再次变为圆偏振光，入射到偏振分光器2上被分成两束线偏振光，偏振分光器2上反射光入射到四象限探测器12上得到敏感单元201的二维直线度Δx、Δy(结合探测器11、12的信息，可以对探测器12上得到的二维直线度误差进行补偿，使直线度测量精度提高，即二维直线度误差可以表示为：ΔX＝Δx±Δx′、ΔY＝Δy±Δy′，符号视具体情况定。)，偏振分光器2的透射光与反射器3的反射光合并透过偏振片13入射到干涉仪14上得到移动单元201的位移信息，即定位误差ΔZ。(由于反射器3反射光与偏振分光器2的透射光振动方向相互垂直，所以偏振片13的偏振方向应该与两线偏振光分别成45度。)而半透半反镜18的反射光携带了敏感单元201的俯仰角和偏转角信息，半透半反镜18反射光再次沿光路返回透过四分之一波片19，入射到反射器20，经过反射器20反射再次透过四分之一波片19(光线总共四次透过滚转角敏感器件四分之一波片19和两次通过反射器20)，在透过四分之一波片19后，入射到固定单元101的半透半反镜4上被反射，反射光经过一个短焦距凸透镜5，再经过一个半透半反镜6。其中从半透半反镜6反射光经过一个渥拉斯顿棱镜9，被分成两束光，分别入射到二象限探测器10上(探测器10应当放置在透镜5的焦平面上)。当敏感单元201有滚转角γ时，通过探测器10上两光强差的变化可以得出滚转角γ大小；而透过分光器6的激光经过一个凹透镜7入射到位敏探测器8上(探测器8的应当放置在透镜5、7的组合焦平面上)得到俯仰角α和偏转角β的信息。整个系统实现了六自由度误差同时测量。

由于本新型装置采用了4次通过滚转角敏感元件19，使其测量灵敏度在专利公开号为1687701A的基础上再次提高二倍；而且两次反向通过反射器20，消除了其在导轨上运动给滚转角测量带来的附加误差。所有的六自由度误差信息，经过信号处理单元15预处理后送入计算机16。理论上俯仰角、偏转角、滚转角和定位误差可以实现误差分离，几乎不受其它误差的影响，而二维直线度由于受到反射器20本身的三维旋转角度的影响，在软件上根据建立的误差分离模型，利用所得俯仰角、俯仰角和偏转角信息对二维直线度误差进行进一步实时补偿，使直线度测量精度进一步提高。整个系统可以实时测量工件或者物体沿某直线导轨运动时对其运动的六自由度或者运动姿态进行同时测量。

实施方式二(图2)：

与实施方式一的不同之处在于：把俯仰角和偏转角的接收单元位置进行了变动，半透半反镜4的反射光只用于滚转角测量。这时凸透镜5还保留在原来位置，同时去掉半透半反镜6，滚转角接收单元直接接收透过凸透镜镜5的激光。把凹透镜7和位敏探测器8放置在半透半反镜4的透射光，再经过偏振分光镜2反射的光路上，并在偏振分光镜2和凹透镜7之间的光路上增加一个凸透镜21，选择合适的参数使凸透镜21和凹透镜7组成一个透镜组，探测器8的应当放置在凸透镜21和凹透镜7的组合焦平面上，进行俯仰角和偏转角的测量。整个测量系统更能充分利用激光器1发出光的能量。

实施方式三(图3)：

与实施方式二的不同之处在于：在固定单元101和敏感单元201之间的光路上放置90°转向单元五角棱镜22。使整个系统能够直接应用于垂直导轨的六自由度同时测量。

Claims (4)

1.一种激光六自由度同时测量装置，包括：固定单元、敏感单元和计算机；

所述的固定单元包括：

①激光器及其放置在激光器发射光路上的偏振分光器和反射器；

②二维直线度误差接收单元、俯仰角和偏转角接收单元、滚转角接收单元、定位误差接收单元；

③信号处理单元；

其特征在于，固定单元(101)中还包括四分之一波片(17)放置在六自由度敏感单元(201)的反射光路上，四分之一波片(17)的快轴方向与激光偏振方向成45度角，使线偏振光变为圆偏振光；半透半反镜(4)放置在偏振分光器(2)后的入射光路上；所述的俯仰角和偏转角接收单元中凸透镜(5)和凹透镜(7)之间的光路上放置半透半反镜(6)；四象限探测器(11)放置在激光器(1)发出的经过半透半反镜(4)的反射光路上；

所述的敏感单元为六自由度敏感单元(201)，它包括：半透半反镜(18)、四分之一波片(19)和反射器(20)，其中四分之一波片(19)、反射器(20)沿敏感单元的入射光方向依次排列；在反射器(20)的反射光路上依次放置四分之一波片(19)和半透半反镜(18)。

2.根据权利要求1所述的激光六自由度同时测量装置，其特征是所述的反射器(3)、(20)包括角锥棱镜、直角棱镜或者猫眼。

3.根据权利要求1所述的激光六自由度同时测量装置，其特征是所述的偏振片(13)包括用四分之一波片替代。

4.根据根据权利要求1所述的激光六自由度同时测量装置，其特征还包括在固定单元(101)和敏感单元(201)之间的光路上放置90°转向单元五角棱镜(22)实现垂直导轨的六自由度同时测量。

Images